基于单片机的16路智能竞赛抢答器的设计

姚伟　刘彦彦

摘 要：以pic单片机为核心设计了一种16路智能竞赛抢答器，该抢答器主要由主持人清零按钮、计分电路、抢答组号指示电路、液晶显示模块和报警电路组成，能够实现抢答时间可调、手动加减计分、报警指示、抢答组号LED灯指示等功能，同时将抢答组号、倒计时时间、选手得分输出在液晶显示屏上。相比于其他抢答器，该抢答器操作简单、智能化程度高、可靠性强、成本低，对于竞赛抢答器行业具有广泛的实用性。

关键词：单片机 智能 抢答器 可靠性强 实用

中图分类号：TP36 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0138-04

Abstract：The paper designs for sixteen-roadintelligentcompetition rush-answer systemtook the PIC microcontroller as the core.The rush-answer system for quiz mainly consists of host reset button， scoring circuit， vies to answer first group number indicating circuit， liquid crystal display module and alarm circuit， it can achieve that answer first time is adjustable， manually add and subtract points， alarm indicator， vies to answer first set of LED lights and other functions.At the same time，vies to answer first group number， the countdown time and players scoring will be outputted on the LCD screen.The responder operation is simple， high intelligent degree， high reliability， low cost.It has extensive practicability for competition responder industry.

Key Words：Single chip microcomputer；Intelligent；The responder；Reliability；Practical

随着小规模的知识竞赛越来越多，用户对抢答装置的要求越来越高，操作简单、灵敏可靠、经济实用的小型抢答器将成为许多用户的最佳选择。近年来，抢答器有向集成化、智能化方向发展的趋势，这就必然提高了抢答器的成本[1-4]。目前市场上较多的抢答器是采用小规模集成电路设计或是以51单片机为核心开发的[5-7]，其精度低、抗干扰性差，存在诸多问题，仅能对抢答器的计分加、计分减、抢答组别、倒计时、报警状态的一两个环节进行检测，且抢答时容易受外界信号干扰，而层次性通信结构、硬件技术上层次结构、用户管理层次结构均决定了市场现有抢答器功能的局限性[8-13]。因此，需要将现有的抢答装置进行升级改造，克服现今存在的问题和不足，从而提高抢答器的实用性和智能化程度。

1 系统总体设计

一种基于PIC单片机的16路智能竞赛抢答装置，包括主持人清零按钮、抢答按键、控制模块、计时加减选择开关、计分模块、显示模块和报警电路组成[14]。主持人清零按钮、抢答电路、计时加减选择开关、计分模块、显示模块、组号指示模块和报警电路分别与控制模块连接；控制模块是由PIC单片机和外围时钟电路组成；计分模块包括秒脉冲信号发生电路和计分加减选择开关；显示模块由液晶屏和背光调节电阻组成，可实现组号显示、计时显示、计分显示等功能；报警电路是由蜂鸣器、LED指示灯和切断按钮组成[15]。系统结构原理框图如图1所示。

2 系统硬件设计

（1）抢答按键模块：该模块是由选手按键和上拉电阻组成，其中按键采用拍压式按键，能够体现抢答选手抢答时的激烈程度，电阻选用10 K的色环电阻，以提高按键的灵敏性[7]。用PIC单片机的RC口作为16路抢答矩阵按键的输入口，当有一个按键按下时，则会有一个电平变化信号从RC口流入，经过单片机分析后将抢答组号送显示模块显示，同时点亮组号指示模块对应位置的LED灯，表示该编号选手抢答成功。

（2）计分模块：计分模块是由秒脉冲信号发生电路和选择开关构成，接入PIC单片机的RA1口和RA2口，通过编程来处理单片机RA1口和RA2口接收到的脉冲信号。当选择开关SW1置于1时表示抢答正确进行加分，置于2时等待计分，置于3时表示抢答错误进行扣分。其结构如图2所示。

（3）报警电路：当预先设定的倒计时结束时仍无人答题则单片机会触发报警电路发出声光报警提醒，可以通过按键来关断或打开报警。

（4）显示模块：用LCD1602来显示抢答到计时间、抢答组号、搶答选手得分。

（5）组号指示模块：组号指示模块由两个3～8译码器构成的4～16译码器和16个LED灯组成，接入单片机的RB0～RB2口。16个LED灯分别代表16位抢答选手，当有人按下抢答按键时，对应组号前的LED会被点亮，表示该编号选手可以优先抢答。

（6）控制模块：控制模块采用PIC16F877A作为该系统控制的CPU，其运算功能强、具有较强的抗干扰能力、软件编程灵活，是工业级控制芯片，并且由于其功耗低、体积小、成本低等优点使其成为该设计的优选控制芯片。

3 系统软件设计

程序首先是完成单片机内部各存储单元的初始化、I/O口的初始化、中断的初始化、内部定时器的初始化，等待随时能够响应外部传来的信号。当主持人按下抢答开始按钮时，单片机会调用倒计时子程序将预先设定的抢答倒计时送LCD显示，同时在允许抢答的时间内程序不断扫描抢答按键接入的I/O口，若有人抢答，单片机会立即把按键信息储存起来，并判断按键的键值，然后把抢答组号送LCD显示，同时驱动报警电路发出一声鸣笛，则表示抢答成功，倒计时停止，I/O口的扫描停止；若倒计时结束，无人抢答，则停止定时器、停止I/O口的扫描，同时驱动报警电路发出声光报警直到主持人按下切断按钮，并等待主持人按下清零按钮开始下一个题目的抢答。其程序流程图如图3所示。

4 印制板设计与系统测试

PCB板的制作采用Proteus软件制作，为了好布线和降低板材损耗，该印制板的设计采用双面覆铜板设计，尺寸为10 cm×14 cm。为了后期更好地进行元器件的插装，各元器件的封装尺寸都是依据实际元器件的尺寸进行的精确制作。双面印制PCB板图如图4所示。

按照原理图和PCB板图进行系统的插件和焊接制作，制得成品之后选取16位同学进行模拟抢答测试，并将不同情况下的测试结果记录于表1中。

从表1测试结果记录可以看出：若将抢答时间設置为15 s，则选手必须在倒计时15～0 s之间答题才算有效，超时或预抢，系统都会发出声光报警提示，表示抢答无效。当有一个选手优先拍下按键抢答时，其他选手按键无效，并且该选手对应位置的LED灯会被点亮。

经过多轮测试，该系统能够满足抢答设计的基本要求，完全可以实现抢答倒计时可调，抢答得分可以手动调节加分或减分，抢答选手编号LED灯指示，LCD同时显示抢答选手编号、倒计时时间、选手得分，预抢和抢答超时报警等多种功能，达到了设计要求[12]。存在的不足之处：（1）由于实验条件的限制，电路板的制作未能采用贴片式工艺；（2）选手拍下按键时发出“嘀”的一声效果不太理想。

5 结语

文章基于PIC单片机设计了16路智能竞赛抢答器，该抢答器能够支持抢答到计时间可手动调节并带有计分功能，且支持计分可手动加分或减分调节，显示屏可以同时显示抢答组号、倒计时间、选手得分。当有选手按下抢答按键时，其对应位置还会有LED灯亮的指示，并且通过编程能很好地实现抢答按键的“自锁”与“互锁”功能，具有一定的实用价值，同时对抢答器的无线控制、数字化、智能化的发展具有指导意义。

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